一种基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门及实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门及其实现方法，是通过双折射晶体产生两个偏振相互垂直的具有特定时间延迟的开关脉冲光，两个脉冲的时间延迟为140fs，并通过半波片和双折射晶体的结合实现两个开关光脉冲强度的调节。双折射晶体的光轴方向与探测光偏振方向成45

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门及实现方法


[0001]本专利技术属于超快速成像与测量
，涉及基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门及其实现方法。

技术介绍

[0002]发展超快速成像与测量技术，在高速碰撞、爆轰过程、高压放电、视觉机制等瞬态过程研究领域，有着重要的应用价值。通常，利用光电技术可以实现毫秒至亚皮秒的高时间分辨成像，然而在分子结构动力学，超快速表面振动过程、极端时间分辨荧光显微成像、强散射体内部物体识别等研究领域，必须使用基于光子技术的超快速成像技术，比如飞秒全息成像和非线性光学门选通成像技术。
[0003]光克尔门选通成像技术是一种典型的非线性光学门选通成像技术。这种成像技术利用光克尔效应构造的光学快门，通常被称为光克尔门，它无需相位匹配，选通光子效率高，具备可达飞秒量级的开关时间。因此，光克尔门选通成像技术在超快动态过程记录、高时间分辨荧光显微技术、强散射体内部物体识别等研究领域，得到了广泛的应用，具有重要的科学意义和应用价值。
[0004]在传统的光克尔门选通成像技术中，为了保证较高的信号透过率，往往要求光克尔介质具有较高强度的非线性效应，这类材料的非线性光学效应起源往往包含比重大的非电子响应机制。例如目前最常使用的的光克尔介质二硫化碳，其三阶非线性光学效应主要来源与分子再取向效应，当开关脉冲激励消失后，它会存在较长的分子弛豫时间，导致以二硫化碳为介质的光克尔门关闭时间增加，选通成像的时间分辨率受到限制。另一方面，光克尔门如果使用非线性响应完全起源于电子响应的光克尔介质，例如石英玻璃，其开关时间将非常快，主要受限于开关脉冲的宽度，但是这类材料的光学非线性强度往往较弱，形成的光克尔门在同等条件下，信号透过率较低。因此，发展各种技术，同时提升光克尔门的开关时间和透过率，对于其应用具有非常重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种双开关脉冲实现高透过率、快开关时间、操作简便的飞秒光克尔门的方法及其装置。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门包括飞秒激光器，在飞秒激光器的发射光路上设有第一反射镜、分束片，分束片将光路分成探测光路和开关光路，其中探测光路上依次设有第二反射镜、第一衰减片、第一凸透镜、起偏器、光克尔介质、检偏器、第二凸透镜、短通滤波片、第二衰减片和探测器，使探测光被双开关光克尔门选通；起偏器的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，检偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振方向垂直，开关光路上依次设有长通滤波片、半波片，半波片用于调整泵浦光的偏振方向，双折射晶体，双折射晶体用于产生具有特定时间延迟的偏振方向相互垂直的两
个开关光脉冲，第三衰减片、再经过用于调节开关脉冲的光程的光学延时线、第三反射镜、第四反射镜和第三凸透镜，到达光克尔介质，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。
[0008]分开的两束开关光之间存在一定的时间延迟，等效为两个先后出现的光克尔门。第二个光克尔门在时间轴上大约位于第一个光克尔门的关闭阶段，这段时间内的两个光克尔效应产生相互抵消的效果，从而加快光克尔门的关闭速度；两个门的相对位置是由双折射晶体的厚度决定的，两个门的开关脉冲强度比值可以由半波片和双折射晶体进行调节。
[0009]所述的飞秒激光器为含有放大器的飞秒激光系统；
[0010]所述的分束片的分束比为1:1。
[0011]所述的第一、第二和第三衰减片为中性衰减片，包括固定光学密度的中性衰减片或者可变中性密度衰减片。
[0012]所述的光学延时线由电脑控制的精密步进移动平台和放置在精密步进移动平台上的两个相互垂直的反射镜构成，两个相互垂直的反射镜对飞秒开关脉冲光进行后向反射；精密步进移动平台对飞秒开关脉冲光的光程的进行调整，调整精度为1.5～15微米，光学延时线的最小光程改变量为10～100fs。
[0013]所述的半波片为零级半波片，其材质为石英材质或BK玻璃。
[0014]所述的起偏器和检偏器为棱镜偏振器或消光比大于104:1的薄膜偏振器；其中棱镜偏振器包括尼科尔棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或渥拉斯顿棱镜偏振器。
[0015]所使用的光克尔介质为三阶非线性光学材料。
[0016]所述的光克尔介质为包括二硫化碳、硝基苯、四氯化碳、苯、NMP非完全电子响应的光克尔介质。
[0017]一种基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门的实现方法，包括以下步骤：
[0018]1)将飞秒激光器1出射的偏振的飞秒脉冲激光经分束片3分为两束，其中一束作为探测光路的飞秒探测脉冲光，另一束作为开关光路的飞秒开关脉冲光；
[0019]2)飞秒探测脉冲光经第二反射镜4、第一衰减片5、第一凸透镜6、起偏器7、光克尔介质8、检偏器9、第二凸透镜10、短通滤波片11、第二衰减片12构成飞秒光克尔门。分别调整起偏器7和检偏器9至探测光偏振方向的平行方向和垂直方向。
[0020]3)开关光经过长通滤波片14、半波片15，半波片15用于调整泵浦光的偏振方向，双折射晶体16，双折射晶体16用于产生具有特定时间延迟的偏振方向相互垂直的两个开关光脉冲，第三衰减片17、再经过用于调节开关脉冲的光程的光学延时线18、第三反射镜19、第四反射镜20和第三凸透镜21，到达光克尔介质8。
[0021]4)调整半波片15使得入射到双折射晶体前得开关光脉冲得偏振方向发生改变，半波片15的初始光轴方向为与水平方向成45
°
，经过半波片15的泵浦光的偏振方向变成竖直偏振。将半波片15旋转角度θ，经过半波片15的泵浦光的偏振方向将旋转2θ，双折射晶体16用于产生具有特定时间延迟的偏振方向相互垂直的两个开关光脉冲，入射到双折射晶体16的泵浦光的偏振方向与双折射晶体16的光轴的夹角为(45
°‑
2θ)。由于光学双折射效应，开关光脉冲经过双折射晶体后产生两个强度分别为I
g
sin2(45
°‑
2θ)和I
g
cos2(45
°‑
2θ)的开关光脉冲。通过旋转半波片可以改变两个开关光脉冲的强度比。
[0022]5)根据探测器13接收到光克尔信号，利用电脑控制的精密步进移动平台控制光学
延时线18移动并实时采集光克尔信号数据，通过半波片不断调节两个开关光脉冲的强度比，获得两束开关光同时作用下的光克尔信号曲线。可得到高透过率和超快开关时间的光克尔门。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0024]本专利技术提供的基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门技术，将光路分为探测光路和开关光路。在开关光路上依次设有长通滤波片、半波片，半波片用于调整泵浦光的偏振方向，双折射晶体，双折射晶体用于产生具有特定时间延迟的偏振方向相互垂直的两个开关光脉冲，分开的两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门，包括飞秒激光器(1)，其特征在于：在飞秒激光器(1)的发射光路上设有第一反射镜(2)、分束片(3)，分束片(3)将光路分成探测光路和开关光路，其中探测光路上依次设有第二反射镜(4)、第一衰减片(5)、第一凸透镜(6)、起偏器(7)、光克尔介质(8)、检偏器(9)、第二凸透镜(10)、短通滤波片(11)、第二衰减片(12)和探测器(13)，使探测光被双开关光克尔门选通；起偏器(7)的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，检偏器(9)的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振方向垂直，开关光路上依次设有长通滤波片(14)、半波片(15)，半波片(15)用于调整泵浦光的偏振方向，双折射晶体(16)，双折射晶体(16)用于产生具有特定时间延迟的偏振方向相互垂直的两个开关光脉冲，第三衰减片(17)、再经过用于调节开关脉冲的光程的光学延时线(18)、第三反射镜(19)、第四反射镜(20)和第三凸透镜(21)，到达光克尔介质(8)，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。2.根据权利要求1所述的基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门，其特征在于：利用双折射晶体(16)产生两个偏振相互垂直的具有固定时间延迟(140fs)的开关脉冲，双折射晶体(16)的光轴方向与探测光偏振方向成45
°
，两个开关脉冲光的强度比值通过旋转半波片(15)改变入射开关脉冲光的偏振方向并结合双折射晶体进行调节。3.根据权利要求1或2所述的基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门，其特征在于：所述的飞秒激光器(1)为含有放大器的飞秒激光系统；所述的分束片(3)分束比为1:1；所述的第一、第二和第三衰减片(5)、(12)、(17)为中性衰减片，包括固定光学密度的中性衰减片或者可变中性密度衰减片；所述的半波片(15)为零级半波片，其材质为石英材质或BK玻璃。4.根据权利要求1所述的基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门，其特征在于：所述的光学延时线(18)由电脑控制的精密步进移动平台和放置在精密步进移动平台上的两个相互垂直的反射镜构成，两个相互垂直的反射镜对飞秒开关脉冲光进行后向反射；精密步进移动平台对飞...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭文疆，司金海，黄振强，康振，曾诗佳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：